DSLR-sensorer og "shot noise" støy på høy ISO: De fysiske rammene

[SNratio]

Jeg vil veldig gjerne ha korreksjoner og synspunkter på det følgende. Jeg har ikke noe spesialkunnskap om sensorer og støy, men jeg har prøvd å sette sammen info fra flere ulike kilder. Dette handler nesten bare om "shot noise", men i virkeligheten er det vel ikke alltid mulig å skille klart mellom "read noise" og "shot noise". Støy på lav ISO synes jeg ikke er så interessant, all den tid den vil spille en mindre rolle på DSLR, og relativt lett og ubemerket kan filtreres bort.

 

"Full well capacity" er et mål på hvor mange elektroner som kan lagres i hver "brønn". Et foton vil kunne gi opphav til et elektron, men "quantum efficiency" (QE, kvante-effisiens) dvs hvor stor andel av innfallende fotoner som gir opphav til et elektron, vil variere. En sensor med lavere base ISO vil ha lavere QE enn en med samme kapasitet og høyere base ISO. F.eks har 5D-sensoren, såvidt jeg har oppfatta, en kapasitet på ca 80000 elektroner ved ISO100, mens D3-sensoren har ca 66500 ved ISO200. Hvordan oppfører disse to sensorene seg ved høyere ISO?

 

Hvis responsen er strengt lineær, så skal vel halve lysmengden gi samme utslag ved dobling av ISO-tallet? Altså vil 5D-sensoren ved ISO200 være "full" med 40000 elektroner, ved 800 med 10000 osv. Hvis dette prinsippet er korrekt, vil D3-sensoren på alle ISO-trinn fra 200 ha ca 63% flere elektroner ved metning, og dette i seg sjøl kan forklare en stor del av de bedre høy-ISO-egenskapene denne har. Ved ISO3200 vil en full eksponering på 5D da ha 2500 elektroner, på D3 4000. Det betyr også at det på 5D er max 2500 nivåer fra null til full eksponering. En annen måte å kvantifisere dette på, er å se på elektroner/trinn i A/D-konverteringen. Med 66500 på ISO200, får vi 66500/2^12=16.2 elektroner pr trinn. Og vi kan gå 4 trinn opp (2^4=16), altså til ISO3200, før vi har ett elektron pr trinn "unity gain ISO". 1DIII-sensoren har visstnok omtrent samme elektrontall som 5D, ca 39000 ved ISO200. Dette representerer litt under ett trinns fordel for D3, log(66500/39000)/log(2) = 0.8 trinn.

 

 

Og disse begrensede mengdene elektroner vil redusere det mulige dynamiske omfanget (DR). I praksis vil DR dermed ofte henge nøye sammen med støy, slik at stor DR gjerne betyr relativt lite støy. "Shot noise" beror i hovedsak på at fotonene som treffer sensoren gjør det uavhengig i en (tilnærmet) Poisson-prosess, og elektronene som dannes, følger samme type prosess. (Termisk lys, som veldig mye av lyset vårt er, har "egentlig" en Bose-Einstein-fordeling, med noe større varians, men Poisson-tilnærmingen er ganske god, og dekkende for de fleste praktiske formål.) Når forventningen, dvs gjennomsnittlig antall elektroner som dannes pr tidsenhet ved en gitt lysintensistet, luminans, er L (dette kan for en gitt sensor også tas som et mål på luminansen), så er variansen også L, dvs standardavviket blir sqrt(L). Signal/støyforholdet kan vi definere som forventning/std.avvik, det blir L/sqrt(L)= sqrt(L). Dette avhenger da av pixelareal A, QE (kvante-effisiens) og ISO I: L = const*A*QE*Io/I I praksis, er det vanskelig å kompensere for kraftig reduksjon i pixel-arealet med høyere QE, slik at doblet pixeltall som regel må kompenseres med bortimot ett steg lavere ISO for å opprettholde signal/støyforholdet for "shot noise". Så lenge vi holder oss til de reine kvantemekaniske effektene,og rimelig korte lukkertider, skal lysintensiteten (LI) ikke bety noe (bortsett fra termiske effekter i sensoren, kan en bygge opp nøyaktig samme bilde ved å sende inn ett og ett foton), men det er slett ikke sikkert at QE er helt uavhengig av LI. Sensorens lese-støy kan også variere med signalstyrken. Derfor er det metodisk sett best å teste høy-ISO under svake lysforhold, der

lysfølsomheten "trengs".

 

Gitt en pixel-tett sensor, kan signal-støyforholdet i shot noise forbedres ved nedsampling. Har vi f.eks 4 L/4-pixler, så er signal/støyforholdet for hver av disse sqrt(L)/2. Men hvis de slås sammen, så får vi en Poisson-prosess med forventning L/4+L/4+L/4+L/4=L, og signal/støyforhold på sqrt(L), altså dobbelt så godt. I praksis vil en kanskje ikke få nøyaktig like gode egenskaper, sjøl om "gapless" design gjør at det effektive sensorarealet blir omtrent det samme, for en skal gjøre flere avlesninger, på fire ganger så svake signaler. Men veien Canon nå går, med "RAW"-filer i flere oppløsningsversjoner, er nok noe alle andre etter hvert må følge når de lanserer høyoppløsningssensorer til yrkesbruk.

 

Samtidig er det å håpe at vi får mer "edruelighet" når det gjelder støy vs oppløsning på høy ISO: På en liten sensor kan en bare ikke få lav støy og høy oppløsning på høy ISO samtidig. Og når noen får det til å se sånn ut, er det fordi de er dyktige på støyfjerning. Du kan få så "rein høy-ISO" du bare ønsker på en høyoppløsnings-sensor, slik som 50D sin, men når du leiter etter de fineste detaljene som sensoroppløsningen kan gi, er de da som regel borte.

Endret 19. oktober 2008 av capricorny